吕梁市某黄土边坡稳定性分析与工程治理

胡 凯

(山西省煤炭建设监理有限公司,太原 030012)

我国黄土广泛分布于西北地区,具有黄土地层全、类型多、厚度大等特点,总面积约6.3×105km2。黄土本身的湿陷性、大孔隙、力学强度较低等特性时常带来崩塌、滑坡等环境地质灾害[1]。黄土边坡灾害是黄土地区最主要的灾害之一,灾害类型复杂、数量多、规模大、发生频率高,并且灾害类型很有地域特殊性[2]。因此,对黄土边坡失稳机制展开研究并对比分析、提出通用的工程治理方案具有重要意义。

本文以吕梁市柳林县煤矿区东南部某边坡为例,通过室外调查和室内研究相结合的方法,对工程地质条件及失稳机制进行综合分析,并给出相应的工程治理措施[3],为该地区边坡治理提供科学依据和技术借鉴。

1 工程概况

本工程位于柳林县某煤矿区东南部,南部为人工开挖形成的较陡边坡,北部则为填土形成的自然边坡,主要由填土和原状土组成。目前,该边坡坡高15.0 m～35.0 m,坡率1:0.5～1:1.3,对南部的煤气站场、进场道路及边坡上部拟建锅炉厂房的安全形成巨大的威胁。

2 边坡工程地质条件

2.1 气象与水文

研究区为大陆性季风气候,汛期在七月至九月。年最大降雨量744.8 mm(1985年),年最小降雨量245.0 mm(1970年),平均降水量为472.3 mm。年平均气温10.5 ℃,极端最高温度36.8 ℃,最低温度-17.0 ℃,无霜期平均为199 d。

研究区原为三川河东岸一小型冲沟,为常年干沟,遇暴雨时坡面流冲刷剧烈。场区汇水面积约5 km2。

2.2 地形地貌

研究区属吕梁山复背斜西翼中部黄土中低山丘陵区黄土梁、峁地带,地形高低起伏不平。微地貌形态以黄土梁、黄土峁为主,冲沟发育。其南部为人工开挖形成的陡坡,北部为填土形成自然边坡。边坡东西走向,坡率1:0.5～1:1.3,几乎无植被发育,仅在坡顶生长少量杂草。

2.3 地层时代及成因类型

研究区上浮地层均为第四系沉积物,下伏地层有部分上石盒子组分布。钻孔揭露7层地层,依次为:

第①层:松散人工填土(Q42ml),主要分布在边坡坡面,褐黄色,以黄土状粉土为主,稍湿,很松散,含少量杂草,覆盖层厚度不均匀,呈上薄下厚趋势,该层在边坡顶部坡面厚度约2.2 m～3.6 m,坡底坡面厚度5.0 m～10.0 m,具高等压缩性,属于欠固结土。

第②层:黄土状粉土(Q42dl+pl),褐黄色,稍湿,稍密,含云母等,具大孔结构。层厚2.8 m～35.7 m,平均厚14.3 m。

第③层:粉土(Q42dl+pl),褐黄色,稍湿-湿,中密,含云母等。层厚1.8 m～16.0 m,平均厚6.4 m。

第④层:粉质粘土(Q3dl+pl),黄色、黄红色,稍密-中密,可塑-硬塑状,含云母等,层厚3.5 m～14.5 m,平均厚8.2 m。

第⑤层:粉质粘土夹卵石(Q2dl+pl),黄色-黄红色,中密-密实,可塑-硬塑状,土层中夹有卵石薄层,含姜石、钙质结核、菌丝,偶见碎石、漂石,局部夹有细中砂薄层或透镜体。层厚1.4 m～15.2 m,平均厚4.9 m。

第⑥层:卵石(Q2dl+pl),杂色,湿,稍密-中密,颗粒多呈圆形-亚圆形,磨圆度较好,母岩成分以灰岩、砂岩为主,以砾砂、中粗砂和少量粉土充填,颗粒级配不良。层厚0.6 m～8.0 m,平均厚4.3 m。

第⑦层:全风化～强风化泥岩(Pmc),灰黄色,矿物成分以粘土岩为主,泥质结构,薄层状构造,层厚0.8 m～5.0 m,平均厚2.5 m。

3 边坡稳定性分析与评价

3.1 边坡现状

边坡为黄土边坡,顶部地形平缓,坡长约226 m,坡高15 m～35 m,坡面以填土为主,且较为陡峭,整体坡度40°～60°,为填沟时自然塌落而成,边坡处于不稳定状态,特别在外界影响下,极易滑塌。

3.2 边坡稳定性分析

影响边坡稳定性的因素分为内因和外因两方面,其中,内因主要为地层岩性、结构构造、地下水等;外因则包括人类工程活动、地震、降雨等[4]。结合勘察场地边坡的具体情况进行分析,此处影响边坡侧向稳定的主要因素是降雨,自然边坡在降雨条件下容易失稳。

根据边坡形态及可能形成的滑动方向,本工程采用圆弧滑动法(瑞典条分法),选取8条剖面,分别计算边坡在天然工况和暴雨(饱和)工况下的稳定性系数,边坡稳定性计算岩土参数建议值见表1。

表1 边坡稳定性计算岩土参数建议值表Table 1 Recommended geotechnical parameters based on slope stability calculation

圆弧滑动法(瑞典条分法)稳定安全系数计算公式如下所示:

Ni=Gicosθi，

Ti=Gisinθi，

Ri=Nitgφi+cili.

式中:Fs为稳定安全系数;ci为第i条块土体的粘聚力,kPa;φi为第i条块土体的内摩擦角，(°);li为第i条块滑动面的长度，m;θi为第i条块底面的倾角,(°);Gi为第i条块土体的自重,kN/m;Ni为第i条块在滑动面法线方向上的分力,kN/m;Ti为第i条块在滑动面切线方向上的分力,kN/m;Ri为第i条块滑动面上的抗滑力,kN/m。

根据各坡面计算结果可知:

工况一:天然含水量状态下,1-1′剖面稳定系数Fs为1.001,边坡均处于稳定状态,2-2′至8-8′剖面稳定系数Fs为0.647～0.928,边坡均处于不稳定状态;

工况二:边坡在饱水状态下,所有剖面稳定性系数均小于1.0,故在饱水状态下整个边坡均将会失稳。因此,需对边坡进行相应的治理。

4 边坡工程治理措施

该边坡主要受到降雨的影响,其2-2′剖面以西主要为粉土,以东则为人工回填土,在长期降雨侵蚀和风化作用下坡面土体松散。依据边坡的设计要求,边坡治理采用削坡+骨架护坡+轻型格构+锚杆+坡脚修筑挡墙+截排水的方案[5]。

4.1 削坡设计

边坡单级坡率设为1: 0.75,单级坡高为6 m～8 m,马道宽为3 m,并采用1%的倾斜角。

4.2 轻型格构梁

坡面上布设格构梁,锚杆孔距为2.8 m,垂直排距为1.4 m,孔径为90 mm,杆体钢筋为Φ25 mm,锚杆长度15 m。框架梁截面为200 mm×200 mm,采用C25混凝土浇筑。

4.3 锚杆

在框架格构梁十字交叉处设置锚杆对坡体进行加固,锚杆设计孔径均为90 mm,杆体钢筋为Φ25 mm,采用M10的水泥砂浆,注浆压力为0.20 MPa～0.50 MPa。

4.4 水沟

在边坡坡顶处及边坡两侧设置排水沟,沿自然坡率修筑，坡顶处排水沟修筑在距坡顶边缘5 m处,坡底处排水沟修筑在距边坡底部2 m处,平台上则修筑在距单级边坡坡底0.5 m处。排水沟采用简单的人工挖方,人工修筑,材料选用1:2的M10浆砌片石,在沟底、沟顶、沟内侧壁用防水水泥砂浆抹面,抹面厚度为20 mm。

4.5 重力式挡墙

采用M10浆砌毛石砌筑,设置于边坡坡脚处,利用自身重力受土体侧压力,提高边坡稳定性。重力式挡土墙外侧坡比为1:0.5,内侧坡比为1:0.5,挡墙顶宽1.8 m,墙高6.5 m,基础埋深2.5 m。挡土墙墙身设泄水孔布设两排,材料选用孔径110 mm的PVC管,外斜5%,下排泄水孔距地面0.1 m,上排泄水孔距地面2.0 m,排泄水孔间距为2.0 m,呈梅花状布置。每间隔10 m设置一道变形缝,缝宽约0.3 cm,缝中充填有弹性的防水材料,并使用水泥砂浆勾缝。本边坡工程治理示意图如图1所示。

图1 边坡设计治理示意图Fig.1 Slope design and management

5 结束语

黄土地区的高填方边坡工程一直是岩土工程的复杂课题,本文以柳林县某矿区东南部边坡为例,在野外调查的基础上结合室内土工试验分析，可知该边坡是受风化、水流冲刷以及人工开挖回填的多重作用影响而形成的。通过对边坡现状稳定性进行分析计算和评价,可知:在天然含水量状态下,除1-1′剖面稳定系数Fs略大于1,其余各剖面稳定系数均小于1,Fs为0.647～0.928,边坡均处于不稳定状态;在饱水状态下,边坡整体失稳。

通过对边坡稳定性分析计算可知降雨因素对边坡稳定性影响极大,建议设置完善的截排水系统,防止地表水入渗坡体。根据上述稳定性分析结果,并结合现场施工条件,建议采用削坡+骨架护坡+轻型格构+锚杆+坡脚修筑挡墙+截排水的治理方案对本边坡进行加固。建议对该边坡进行定期观测,雨季时观测加密,直至变形稳定。